Modelación de reactores

Del porqué un modelo jamás dejará de ser modelo...
Una parte fundamental para el diseño o la ingeniería de un reactor químico, es la cinética de la reacción específica para la cual es diseñado o construido. En la actualidad, se tiene mucha información en la literatura sobre la cinética de una gran cantidad de reacciones, por lo que el diseño y la construcción de un reactor no deberían presentarmayor problema; sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas cuya cinética se encuentra reportada, suelen ser reacciones de bajo valor agregado. Esto, junto con el hecho de que la industria privada suele no exhibir la cinética de sus reacciones debido a patentes o propiedad intelectual, resulta que el diseño y la fabricación de un reactor se vuelven un poco más complicados.
Ahora bien,gracias a la capacidad de observación y al empeño del hombre por explicarse el mundo real, así como las poderosas herramientas que ha desarrollado, en la actualidad se pueden obtener modelos de la cinética de una reacción “nueva” o “desconocida” con una relativa facilidad. Sin embargo, permanece el problema de que los modelos no representan fielmente al 100% a la realidad. Este ensayo tratará dedemostrar algunas de las limitaciones de los modelos cinéticos de reacción, desde el hecho de proponer un modelo incorrecto hasta la varianza estadística, sin olvidar la posibilidad de divergencia al emplear un método numérico.
Cualquier modelación inicia con la obtención de datos en el laboratorio: se elige un tipo de reactor (batch o continuo, tanque o tubular; esto según el tipo de reacción y losrecursos de los que se disponga); se lleva a cabo la reacción a modelar, ya sea a temperatura constante o varias veces con diferentes temperaturas; se observa el comportamiento de la concentración de uno o más reactivos con respecto al tiempo. Después de recabar estos datos, se puede proseguir al análisis de la información y luego, por medio de diferentes métodos, elaborar un modelo que representelo más fielmente posible a la realidad, topándose con algunas limitaciones en el camino.
La primera limitación corresponde al hecho de que algunos métodos inician con la propuesta de un modelo, es decir, algunos de los métodos que se emplean para modelar la cinética de una reacción deben ser empezados con el analista decidiendo el orden de la reacción. La mayoría de los métodos, como el gráfico,debido a su sencillez, suelen ser útiles sólo para reacciones sencillas, es decir, suponen la dependencia de la cinética de la reacción en sólo uno de los reactivos (problema que se puede solucionar si la concentración de un reactivo sea tan excesiva que pueda ser considerada constante, para que ejerza ningún efecto en la velocidad de reacción).
El hecho de proponer un modelo un poco máscomplicado representa mayor problema, pues si el modelo propuesto con los parámetros encontrados difiere substancialmente de la realidad, se debería proponer otro orden o modelo y volver a obtener parámetros, pero ahora diferentes. Además, el hecho de que en la literatura se encuentre reportada ya la cinética de numerosas reacciones facilita el hecho de proponer un modelo, pues se sabe que las reaccionesde una misma familia, con arreglos intra-moleculares similares, suelen seguir modelos similares. No obstante, las perturbaciones de los parámetros de un modelo cinético, incluso para reacciones de una misma familia, suelen ser grandes.
Suponga el lector el siguiente caso. Se tienen los siguientes datos obtenidos en el laboratorio, para la siguiente reacción llevada a cabo en un reactordiferencial:
3H2+CO→CH4+2H2O
Corrida | PCO {atm} | PH2 {atm} | CCH4 {mol/dm3} |
1 | 1 | 1 | 0.000173 |
2 | 1.8 | 1 | 0.000440 |
3 | 4.08 | 1 | 0.001000 |
4 | 1 | 0.1 | 0.000165 |
5 | 1 | 0.5 | 0.000247 |
6 | 1 | 4 | 0.000175 |

La forma más sencilla de modelarlo es proponiendo que la velocidad de reacción depende únicamente de un reactivo y que esta dependencia se da en un orden entero;...